水環(huán)境中微塑料去除裝置內(nèi)部數(shù)值模擬特性及工藝研究

朱成杰，趙茂俞，楊朝忠，劉偉男

(1.合肥學(xué)院 生物食品與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥學(xué)院 先進(jìn)制造學(xué)院，安徽 合肥 230601 )

1 引言

由于塑料制品具有輕便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]。塑料制品作為高分子聚合材料，每年直接排放到環(huán)境中的塑料垃圾預(yù)計為480～1270 萬t，嚴(yán)重影響到全球的水環(huán)境安全[2]。近年來，隨著環(huán)境問題被日益關(guān)注，在全球范圍內(nèi)的海洋、湖泊和河流等水環(huán)境中均有不同尺寸和豐度的微塑料檢出，并且在家庭飲用水、瓶裝水和酒水飲料中均有檢出[3,4]。目前針對水環(huán)境中微塑料的去除仍處于起步階段，Ma等[5]研究了在小規(guī)模處理的情況下，混凝沉淀對聚乙烯顆粒的去除率。除此，紫外臭氧-生物活性炭()工藝被廣泛應(yīng)用于飲用水的深度處理[6]。JAID Sul等[7]研究了利用工藝去除引用水廠中微塑料顆粒，去除效率約為54.8%，此工藝具有處理周期長，去除效率低的缺點(diǎn)。崔圣達(dá)等[8]研究了利用強(qiáng)化混凝與微濾或超濾組合工藝去除污水中微塑料顆粒，通過投加混凝劑使之沉淀，再結(jié)合微濾與超濾技術(shù)，但是造成了水體的二次污染，投入的成本較高。了解各個工藝對于微塑料去除效能，降低去除水環(huán)境中微塑料的成本，擴(kuò)展水環(huán)境中微塑料去除工藝，在此基礎(chǔ)上，研發(fā)微塑料去除裝置，目的是提高微塑料的去除效率，避免造成處理過程中的二次污染以及降低處理成本。

為了檢測水環(huán)境中微塑料的去除效果，本文以安徽省合肥市巢湖水、校園風(fēng)景湖湖水以及南艷湖公園湖水作為處理水樣，研究此類水環(huán)境中微塑料的豐度、尺寸以及材料，分析處理工藝前后水樣中含有微塑料的特性，探索了水環(huán)境中微塑料的去除工藝。

2 理論計算模型

2.1 離散相模型

水環(huán)境中微塑料的去除主要是指水環(huán)境中含有的微塑料顆粒通過微孔網(wǎng)過濾和活性炭吸附作用使之脫離于水體的過程。為了研究過濾過程中內(nèi)部流場的變化，構(gòu)建了離散相模型模擬水體中微塑料的實際軌跡和水流變化。

其離散相模型主要適用于顆粒相體積分?jǐn)?shù)小于10%且具有明確的進(jìn)出口，通過計算連續(xù)流場和變量求解水環(huán)境中微塑料顆粒的受力情況，該實驗的水體中的微塑料顆粒的體積分?jǐn)?shù)小于10%，在含有微塑料顆粒的流體中，顆粒與顆粒之間的相互作用和顆粒對于水流的影響不加以考慮，可以用離散相模型來模擬實際的情況[9,10]。顆粒實際作用力的平衡方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)中：u為流體相速度，up為顆粒速度，μ為流體動力粘度，ρ為流體密度，ρp為顆粒密度，dp為顆粒直徑，Re為相對雷諾數(shù)，a1、a2、a3為常數(shù)，F(xiàn)D為單位質(zhì)量曳力，CD為曳力系數(shù)，gx為x方向重力加速度，F(xiàn)x為x方向其他作用力[11]。

2.2 仿真模擬

2.2.1 微塑料去除裝置模型建立

微塑料去除裝置主要是利用裝置內(nèi)部安裝不同孔徑的微孔銅網(wǎng)對水體中微塑料進(jìn)行過濾，利用重力，去除后的水體從下方排出，微塑料顆粒附著于微孔網(wǎng)表面。微塑料的去除裝置模型如圖1所示。

圖1 微塑料去除裝置模型

2.2.2 數(shù)值分析

為更加直觀地表現(xiàn)流場內(nèi)部的壓力變化以及微塑料顆粒在流場中的受力情況，將裝置簡化成長1.5 mm，寬為0.03 mm的二維微孔網(wǎng)，微孔間距為0.04 mm。①利用Fluent模擬仿真軟件前置處理軟件Gambit進(jìn)行建模，然后將上方入口設(shè)定為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度設(shè)定為0.01 m/s，下方出口設(shè)置為自由流出，兩側(cè)管壁和微孔銅網(wǎng)邊界部分設(shè)置為wall。②將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于模型是規(guī)則四邊形，選擇Map網(wǎng)格，最小單元設(shè)置為0.005 mm，生成四邊形網(wǎng)格。為增加仿真結(jié)果的真實性，微孔銅網(wǎng)和管壁需進(jìn)行不同尺寸單元進(jìn)行劃分，最小單元設(shè)置為0.001 mm。如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)定

通過改變自變量的值，保證其余變量不變，獲得流場內(nèi)部的壓力云圖以及微塑料顆粒物的捕集率。以流速0.01 m/s，水體中加入直徑為50 μm的微塑料顆粒為例，其壓力和速度云圖如圖3～6所示。

圖3 粒子的壓力云圖

圖4 粒子的速度云圖

圖5 混合物速度云圖

圖6 混合物壓力云圖

不同孔徑微孔銅網(wǎng)對于流體中微塑料的捕集率如表1所示。

表1 顆粒物捕集率 %

2.3 結(jié)果分析

(1)在微塑料的去除過程中，微孔銅網(wǎng)的孔徑越大，微塑料逃逸的數(shù)目越多，捕集率越低，去除效率越差。

(2)流體中的壓力大小與微塑料顆粒尺寸無關(guān)，只和進(jìn)出口壓力有關(guān)。

(3)水體中微塑料尺寸越大，粒子逃逸數(shù)量越小，捕集率越高，即去除效率越高。

3 實驗材料及方法

3.1 實驗材料

實驗水樣：實驗所需水樣均按照《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程》中地表水采樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采集。其中巢湖不同水域的3個水樣，校園風(fēng)景湖不同位置的3個水樣以及南艷湖不同位置的3個水樣。預(yù)處理使用的30%濃度過氧化氫溶液(H2O2)，100目微孔銅網(wǎng)、200目微孔銅網(wǎng)、500目微孔銅網(wǎng)，粒徑為2～4 mm的椰殼活性炭和粒徑為2～4 mm的果殼活性炭，微孔濾膜。采樣當(dāng)天的水樣水質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 采樣當(dāng)天水質(zhì)參數(shù)

3.2 實驗裝置及實驗方法

(1)分別將水樣進(jìn)行編號，如表3所示。

(2)在所有水樣中添加一定量的過氧化氫溶液，然后靜置消化24小時,取A1/A2/A3，B1/B2/B3，C1/C2/C3,三組水樣，通過孔徑為0.25 μm的聚四氟乙烯濾膜抽濾。將抽濾后的聚四氟乙烯濾膜保存在用濾紙密封的培養(yǎng)皿中，放進(jìn)風(fēng)箱中風(fēng)干后。去濾膜對表面殘留物進(jìn)行定性和定量分析。

(3)取a1/a2/a3，b1/b2/b3，c1/c2/c3三組水樣，將三組水樣通過去除裝置過濾吸附后再依次通過聚四氟乙烯濾膜抽濾，保存烘干后取濾膜表面殘留物質(zhì)進(jìn)行定量定性分析。

3.3 檢測方法

(1)使用奧林巴斯BXFM模塊化顯微鏡觀察濾膜表面的微塑料，獲得觀察圖像。將微塑料按照形態(tài)特征分類，主要有顆粒狀、纖維狀、片狀、長條狀。通過奧林巴斯BXFM模塊化軟件測量所觀察微塑料尺寸[12]。

(2)將含有過濾物的聚四氟乙烯濾膜表面置于傅里葉紅外光譜儀上，使用衰減全反射模式進(jìn)行檢測，波數(shù)范圍設(shè)置在4500～600 cm-1，分辨率設(shè)置為4 cm-1，掃描時間設(shè)置為32 s。所獲得的光譜使用Origin軟件處理，處理圖譜與《傅里葉變換紅外光譜分析》數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，從而確定聚合物的種類[13]。

(3)使用LabSpec 6軟件操作顯微拉曼光譜儀對微塑料進(jìn)行定性分析，將所獲得圖譜通過LabSpec 6軟件進(jìn)行比對，從而鑒定微塑料的種類[14]。

3.4 檢測內(nèi)容

通過利用光學(xué)顯微鏡觀察微孔銅網(wǎng)和聚四氟乙烯濾膜表面附著的微塑料的特性，確定水體中微塑料的豐度，形狀。如圖7～12所示。

圖7 巢湖水樣處理微孔銅網(wǎng)

圖8 處理后巢湖水樣濾膜

通過利用拉曼光譜儀檢測濾膜上附著的微小顆粒物，定性分析水環(huán)境中微塑料的成分。通過拉曼光譜圖比對含有的微塑料類型。拉曼圖譜如13～15所示。

檢測結(jié)果如表4所示。

圖9 南艷湖水樣處理微孔銅網(wǎng)

圖10 處理后南艷湖水樣濾膜

圖11 校園湖水樣處理微孔銅網(wǎng)

圖12 處理后校園湖水樣濾膜

圖13 巢湖水樣光譜

圖14 南艷湖水樣光譜

圖15 校園湖水樣光譜

4 結(jié)果分析

4.1 數(shù)據(jù)分析

4.1.1 水體中微塑料分布情況

在巢湖水樣、南艷湖水樣和校園湖水樣中均檢測到微塑料，處理前后各個水樣中微塑料的信息如表4所示。結(jié)果表明：南艷湖水體中含有的微塑料種類以及數(shù)量最高，其原因可能是位于生活居民區(qū)且水體不流通，長年累月導(dǎo)致塑料積累；校園湖水體中微塑料含量次之；巢湖水體中微塑料含量最少，其原因可能是因為水域面積大，水體更替速度快等。南艷湖和校園湖水體中微塑料的種類較少，主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)以及聚氯乙烯(PVC)，主要原因為此類水體更接近于生活區(qū)，常見的塑料食品袋，電器開關(guān)元件以及電線電纜等生活用品較多，導(dǎo)致了水體中此類微塑料含量多。

表4 處理前后水樣中微塑料特性

4.1.2 實驗裝置去除效率

由表4知，處理前后水樣中微塑料含量變化明顯，微塑料去除裝置的去除效率分別為90.79%、91.51%、93.11%。根據(jù)光學(xué)顯微鏡觀察得知，水體中去除的微塑料尺寸大于30 μm的占據(jù)微塑料污染的主導(dǎo)地位；聚四氟乙烯濾膜上留存的微塑料只占未處理水樣中的1/10，且外形尺寸≤40 μm。

4.1.3 微塑料去除特性分析

對于水環(huán)境中尺寸在100～500 μm之間的微塑料顆粒，實驗裝置的去除效率與仿真模擬數(shù)據(jù)較為接近，更甚優(yōu)于數(shù)值模擬結(jié)果，其原因可能因為微塑料顆粒在微孔銅網(wǎng)表面堆積，從而形成更小的孔隙，使得去除效率提升。水環(huán)境中尺寸≤40 μm的微塑料顆粒(其中以纖維狀為主)，實驗裝置的去除效率低，去除效果較差。隨時間流逝，水體中微塑料去除難度將增加。處理后的水樣中微塑料的存在形式主要為纖維狀，且水體中微塑料種類不會隨著數(shù)量的減少而降低。

4.2 結(jié)論

通過數(shù)值模擬以及實驗論證，采用微孔銅網(wǎng)過濾原理和活性炭吸附原理設(shè)計的微塑料去除裝置對于去除水環(huán)境中的微塑料具有較好的效果。避免了化學(xué)處理造成的二次污染，且裝置可以適用于不同的水環(huán)境。該工藝有望成為去除水環(huán)境中微塑料污染的主流處理手段。